Configurazioni di accumulo termico
6.3 Una tecnologia innovativa: Mobile Latent Heat Storage
Soltanto recentemente è stato sviluppato un nuovo sistema di accumulo termico a cambiamento di fase chiamato il Mobile Latent Heat Storage (MLHS)54, ovvero accumulo mobile di energia termica sotto forma di calore latente. Questa tecnologia, ancora poco conosciuta, inizia ad essere disponibile sul mercato, si adatta ad un utilizzo anche in impianti di grande taglia.
Gli studi effettuati su tale argomento risultano fondamentali per rispondere all’esigenza, sempre crescente, di sfruttamento di risorse termiche disponibili da altri processi industriali o di generazione di energia elettrica, altrimenti dissipate in ambiente. Un sistema di accumulo mobile, permette di recuperare il calore residuo, di scarto, per trasportarlo verso una possibile utenza alla quale viene ceduto. Risulta evidente come la possibilità di trasferire calore direttamente all’utenza che lo richiede abbia dei vantaggi in termini di risparmio energetico:
risparmio di combustibile fossile, da parte dell’utente che non è più costretto a produrre in autonomia il calore di cui ha bisogno, o parte di questo;
riduzione di emissione di CO2, per riduzione del funzionamento di impianti di produzione dislocati presso le utenze;
risparmi economici per riduzione del costo del calore fornito; stabilità di funzionamento degli impianti, a lungo termine.
Il sistema di accumulo mobile è costituito da una cisterna (generalmente un serbatoio, ma possono essercene anche due o più, affiancati) contenente un materiale in cambiamento di fase, nello specifico sono stati adottati sali di acetato di sodio, posta sopra il rimorchio di un camion che ne garantisce la mobilità (Figura 6. 15).
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Figura 6. 15 Prototipo di un sistema d'accumulo dotato di due cisterne55
Il camion-cisterna necessita di un sistema di carica dell’energia termica presso il punto di produzione dell’energia termica: all’interno della cisterna è presente uno scambiatore di calore attraverso il quale viene fatta circolare l’acqua riscaldata proveniente dall’impianto di generazione. Lo scambiatore permette di caricare termicamente i sali contenuti nella cisterna, che passano dallo stato solido a quello liquido, accumulando calore latente. Presso l’utenza, è necessario predisporre un secondo sistema di allacciamento e scambio termico capace di scaricare e prelevare il calore dall’accumulo, per renderlo utilizzabile nell’impianto di riscaldamento e per la produzione di acqua calda sanitaria. L’accumulo scarico, quindi, torna all’impianto di generazione termica per essere ricaricato: il ciclo (Figura 6. 16) che si ottiene permette di ripetere la sequenza di carica/scarica riducendo le dispersioni di calore in ambiente.
Figura 6. 16 Ciclo di accumulo e distribuzione di energia termica attraverso il sistema Mobile Latent Heat Storage
123 Sorgenti di calore adatte per l’integrazione con questi sistemi di accumulo sono impianti a biomassa, impianti di incenerimento, impianti a combustione interna per la produzione di energia elettrica, industrie di vario tipo: tutti i potenziali fornitori sono accomunati dalla disponibilità di una grande quantità di calore di scarto, normalmente disperso in ambiente, che potrebbe essere riutilizzato e sfruttato. I possibili destinatari di tale servizio hanno tutti necessità di una costante fornitura di calore per lunghi periodi, se non per tutto l’arco dell’anno: si tratta in genere di piscine, ospedali, edifici comunali, scuole, centri logistici.
La soluzione tecnologica sviluppata prevede l’impiego di sali di acetato di sodio56 (CH3COONa oppure NaAc) come materiale in cambiamento di fase: appartenenti al gruppo dei materiali inorganici, sono caratterizzati da maggiore calore latente di fusione, rispetto ai materiali di origine organica. L’acetato di sodio, utilizzato sotto forma di cristalli di sale, presenta numerosi vantaggi:
elevato calore latente per unità di volume; elevata conduttività termica;
ridotta variazione di volume durante la variazione di fase; bassa corrosività;
non pericolosità (utilizzata anche nell’industria alimentare); compatibilità con le plastiche.
Risulta importante evidenziare anche alcuni svantaggi derivanti dal suo impiego come vettore per sistemi di accumulo termico: problemi di sottoraffreddamento e difficoltà d’accumulo in condizioni di fusione incongruente, che comporta mancata trasformazione di tutto il materiale contenuto nel serbatoio con conseguente riduzione del potere d’accumulo.
Si riporta di seguito l’andamento della temperatura del materiale inorganico durante la fase di carica dell’accumulo a confronto con la temperatura nel caso di un sistema d’accumulo riempito con acqua (Figura 6. 17).
56 Proprietà dell’acetato di sodio riprese da Lazzarin, Noro, e Busato, «Studio di sistemi di accumulo a cambiamento
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Figura 6. 17 Capacità termica di un serbatoio d'acqua a confronto con un accumulo di acetato di sodio
Come si può vedere dal diagramma, l’accumulo così progettato permette di immagazzinare sia calore latente, che calore sensibile aumentando ulteriormente la temperatura dei sali fusi sopra la temperatura di fusione del materiale, pari a 58,5 °C.
Le due stazioni di accoppiamento predisposte presso la centrale di generazione e l’utenza finale sono studiate per permettere lo scambio termico tra la rete fissa e l’accumulo mobile mosso da un camion. Questi punti di collegamento fissi sono installati all’esterno degli edifici, in modo tale da essere comunque protetti dagli agenti atmosferici; sono di facile utilizzo da parte del personale addetto (non è richiesta una preparazione particolare) e sono pensati per ridurre al minimo le perdite di calore verso l’esterno. Presso i punti di accoppiamento sono installati dei tubi flessibili che, una volta collegati alla cisterna, permettono il passaggio di un flusso d’acqua all’interno del serbatoio, dove si trova uno scambiatore di calore, per il trasferimento dell’energia termica. La durata delle fasi di carica e scarica dell’accumulo dipende dalle dimensioni dello stesso e dal livello termico fornito dalla centrale di trasformazione, come pure dalla temperatura richiesta dall’utente finale.
Nell’ambito dei sistemi d’accumulo il Mobile Latent Heat Storage è senza dubbio un’importante innovazione, con grandi potenzialità e possibilità di ulteriore sviluppo: ancora poco conosciuto, permette di studiare nuovi scenari e nuove soluzioni impiantistiche per il risparmio di energia termica normalmente dispersa in ambiente. Per quanto riguarda una possibile applicazione in relazione ad impianti a cippato di legna vergine allacciati ad una rete di teleriscaldamento le possibilità offerte da un accumulo mobile non sono da trascurare.
L’utilizzo di camion-cisterne come integrazione alle reti di TLR potrebbe permettere di rifornire altre utenze, presenti nel raggio di qualche chilometro dalla centrale di produzione: questa soluzione risulta particolarmente vantaggiosa qualora la centrale di produzione o comunque l’impianto di generazione avesse a disposizione calore in eccesso rispetto alla domanda complessiva della rete.
125 Per fare un esempio, si può considerare il caso di un impianto alimentato a cippato di legno vergine, che per rifornire le utenze allacciate alla rete non sfrutti il massimo della sua potenza di taglia: in questa condizione sarebbe utile trovare nuove utenze da rifornire per permettere alla centrale di sfruttare al massimo le proprie potenzialità ed ottenere una migliore resa in termini di efficienza. L’utenza ideale va ricercata nel raggio di qualche chilometro dal sito di produzione del calore, in funzione dell’energia resa disponibile dalla centrale; si preferisce selezionare una struttura caratterizzata da una curva di carico all’incirca costante durante tutto l’arco dell’anno. Per la grande quantità di calore di cui necessitano durante tutto l’anno, risultano molto adatte strutture ospedaliere, piscine ed industrie che operino a ciclo continuo (h 24). Trovata la struttura idonea alla fornitura si può pensare di ampliare la rete esistente di TLR, con ingenti spese per i lavori di scavo e posa dei tubi; oppure si può pensare di adottare l’innovativa tecnologia del Mobile Latente Heat Storage, con costi nettamente più contenuti (costi relativi il camion-cisterna ed alle stazioni di accoppiamento). Minore è la distanza tra il sito di produzione e l’utenza da rifornire, minore sono i costi, sia economici che energetici, da sostenere per il trasporto del calore. Perché l’investimento risulto conveniente, in linea generale, è importante rimanere all’interno di un’area di raggio 2-3 km dalla centrale a biomassa.
Un sistema con accumulo mobile ha il vantaggio di rendere indipendente la fornitura di calore verso alcune utenze specifiche, rispetto al resto dell’utenza allacciata alla rete di TLR. Una soluzione di questo tipo, inoltre, permette di intervenire per migliorare il rendimento di un impianto funzionante, senza apportare sostanziali modifiche tecniche alla rete.
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